Eficiența motorului cu ardere externă. Motor Stirling - cum funcționează

1. Introducere …………………………………………………………………………………… 3

2. Istorie …………………………………………………………………………………… 4

3. Descriere ………………………………………………………………………………… 4

4. Configurare ……………………………………………………………………. 6

5. Dezavantaje ……………………………………………………………………… .. 7

6. Avantaje ………………………………………………………………… 7

7. Aplicație …………………………………………………………………………………. opt

8. Concluzie …………………………………………………………………………………. unsprezece

9. Referințe ……………………………………………………… .. 12

Introducere

La începutul secolului al XXI-lea, omenirea privește spre viitor cu optimism. Există cele mai convingătoare motive pentru aceasta. Gândirea științifică nu stă pe loc. Astăzi ni se oferă tot mai multe noi dezvoltări. Tehnologii din ce în ce mai economice, prietenoase cu mediul și promițătoare sunt introduse în viața noastră

Acest lucru se aplică, în primul rând, construcției alternative de motoare și utilizarea așa-numitului „noi” specii alternative combustibil: vânt, soare, apă și alte surse de energie

Datorită motoarelor de toate felurile, o persoană primește energie, lumină, căldură și informații. Motoarele sunt inima care bate în timp odată cu dezvoltarea civilizației moderne. Ele asigură creșterea producției, scurtează distanța. Motoare comune în prezent combustie interna avea întreaga linie dezavantaje: munca lor este însoțită de zgomot, vibrații, emit gaze de eșapament nocive, poluând astfel natura noastră și consumă mult combustibil. Dar astăzi există deja o alternativă la ele. Clasa de motoare, a cărei daune este minimă, sunt motoarele Stirling. Funcționează în ciclu închis, fără microexplozii continue în cilindrii de lucru, practic fără degajare de gaze nocive și au nevoie și de mult mai puțin combustibil.

Inventat cu mult înainte de motorul cu ardere internă și motorina, motorul Stirling a fost uitat nemeritat.

Revenirea interesului pentru motoarele Stirling este de obicei asociată cu activitățile Philips. Lucrările la proiectarea motoarelor Stirling de putere redusă au început în companie la mijlocul anilor 30 ai secolului XX. Scopul lucrării a fost de a crea un mic generator electric cu un nivel scăzut de zgomot și o unitate termică pentru alimentarea echipamentelor radio în zone ale lumii fără surse obișnuite de alimentare cu energie. În 1958 compania Motoare generaleîncheiat acord de licențiere cu Philips, iar cooperarea lor a continuat până în 1970. Evoluțiile au fost legate de utilizarea motoarelor Stirling pentru centrale spațiale și subacvatice, mașini și nave, precum și pentru sistemele staționare de alimentare cu energie. Compania suedeză United Stirling, care și-a concentrat eforturile în principal pe motoare pt Vehicul capacitate mare de transport, și-au extins interesele în domeniul motoarelor pt autoturisme de pasageri... Interesul real pentru motorul Stirling a fost reînviat abia în timpul așa-numitei „crize energetice”. Atunci potențialul acestui motor în raport cu consumul economic de combustibil lichid convențional părea a fi deosebit de atractiv, ceea ce părea a fi foarte important în legătură cu creșterea prețurilor la combustibil.

Istorie

Motorul Stirling a fost brevetat pentru prima dată de preotul scoțian Robert Stirling la 27 septembrie 1816 (brevetul englez nr. 4081). Cu toate acestea, primele „motoare cu aer cald” elementare erau cunoscute la sfârșitul secolului al XVII-lea, cu mult înainte de Stirling. Realizarea lui Stirling este adăugarea unui purificator, pe care el îl numește „economie”. În literatura științifică modernă, acest purificator este numit „regenerator” (schimbător de căldură). Mărește performanța motorului prin captarea căldurii în partea caldă a motorului în timp ce fluidul de lucru este răcit. Acest proces îmbunătățește foarte mult eficiența sistemului. În 1843, James Stirling a folosit acest motor într-o fabrică unde lucra ca inginer la acea vreme. În 1938, Philips a investit într-un motor Stirling cu o capacitate de peste două sute Cai putereși un randament de peste 30%. Motorul Stirling are multe avantaje și a fost larg răspândit în epoca motoarelor cu abur.

Descriere

Motorul lui Stirling- un motor termic, în care un fluid de lucru lichid sau gazos se deplasează într-un volum închis, un fel de motor cu ardere externă. Se bazează pe încălzirea și răcirea periodică a fluidului de lucru cu extragerea energiei din modificarea rezultată a volumului fluidului de lucru. Poate funcționa nu numai din arderea combustibilului, ci și din orice sursă de căldură.

În secolul al XIX-lea, inginerii doreau să creeze o alternativă sigură la motoarele cu abur ale vremii, ale căror cazane explodau adesea din cauza presiunii mari a aburului și a materialelor neadecvate pentru construcția lor. O alternativă bună la motoarele cu abur a apărut odată cu crearea motoarelor Stirling, care puteau transforma orice diferență de temperatură în lucru. Principiul de bază de funcționare al motorului Stirling este de a alterna constant încălzirea și răcirea fluidului de lucru într-un cilindru închis. De obicei aerul acționează ca un fluid de lucru, dar se folosesc și hidrogenul și heliul. Într-un număr de probe experimentale, au fost testați freoni, dioxid de azot, propan-butan lichefiat și apă. În acest din urmă caz, apa rămâne în stare lichidă în toate părțile ciclului termodinamic. Particularitatea agitarii cu un fluid de lucru lichid este de dimensiuni mici, ridicate putere specifică si presiuni mari de lucru. Există, de asemenea, un stil cu un fluid de lucru în două faze. De asemenea, se caracterizează prin densitate mare de putere și presiune de lucru ridicată.

Din termodinamică se știe că presiunea, temperatura și volumul unui gaz sunt interdependente și respectă legea gazelor ideale

• P este presiunea gazului;
• V este volumul gazului;
• n este numărul de moli de gaz;
• R este constanta universală a gazului;
• T este temperatura gazului în Kelvin.

Aceasta înseamnă că atunci când gazul este încălzit, volumul acestuia crește, iar când se răcește, scade. Această proprietate a gazelor stă la baza funcționării motorului Stirling.

Motorul Stirling folosește ciclul Stirling, care nu este inferior ciclului Carnot în ceea ce privește eficiența termodinamică și chiar are un avantaj. Faptul este că ciclul Carnot constă din izoterme și adiabați puțin diferite. Implementarea practică a acestui ciclu nu este foarte promițătoare. Ciclul Stirling a făcut posibilă obținerea unui motor practic funcțional în dimensiuni acceptabile.

Ciclul Stirling constă din patru faze și este împărțit în două faze de tranziție: încălzire, expansiune, trecere la o sursă rece, răcire, compresie și trecere la o sursă de căldură. Astfel, la trecerea de la o sursă caldă la una rece, gazul din cilindru se dilată și se contractă. Diferența de volume de gaz poate fi transformată în muncă, ceea ce face motorul Stirling. Ciclul de funcționare al motorului Stirling de tip beta:

1

2

3

4

unde: a - piston de deplasare; b - piston de lucru; c - volanta; d - foc (zona de incalzire); e - aripioare de răcire (zona de răcire).

1. O sursă de căldură externă încălzește gazul din partea de jos a cilindrului schimbătorului de căldură. Presiunea generată împinge pistonul de lucru în sus (rețineți că pistonul de deplasare nu se potrivește perfect pe pereți).
2. Volanul împinge pistonul de deplasare în jos, deplasând astfel aerul încălzit de jos în camera de răcire.
3. Aerul se răcește și se contractă, pistonul coboară.
4. Pistonul de deplasare se deplasează în sus, deplasând astfel aerul răcit în jos. Și ciclul se repetă.

Într-o mașină Stirling, mișcarea pistonului de lucru este deplasată cu 90 ° față de mișcarea pistonului de deplasare. În funcție de semnul acestei schimbări, mașina poate fi un motor sau o pompă de căldură. La o schimbare de 0, mașina nu efectuează nicio lucrare (altul decât pierderile prin frecare) și nu o generează.

Beta Stirling- există un singur cilindru, cald la un capăt și rece la celălalt. Un piston (de la care este scoasă puterea) și un „deplasator” se deplasează în interiorul cilindrului, modificând volumul cavității fierbinți. Gazul este pompat de la capătul rece la capătul cald al cilindrului prin regenerator. Regeneratorul poate fi extern, face parte dintr-un schimbător de căldură sau poate fi combinat cu un piston de deplasare.

Gamma Stirling- există și un piston și un „deplasator”, dar în același timp sunt doi cilindri - unul rece (pistonul se mișcă acolo, de la care se ia puterea), iar al doilea este fierbinte de la un capăt și rece de la celălalt (acolo se deplasează un „deplasator”). Regeneratorul conectează partea fierbinte a celui de-al doilea cilindru cu cea rece și simultan cu primul cilindru (rece).

1. Eficiența teoretică, se pare, poate fi egală cu Eficiența idealului Ciclul Carnot (adica maximul posibil, la o anumita diferenta de temperatura), dar in conditia unui regenerator „ideal”, cu un coeficient de transfer termic de 1,0. Aici nu este clar. Unele surse scriu că coeficientul maxim este de 0,5, justificând faptul că căldura se va transfera de la un corp fierbinte la unul rece până când temperatura lor este egală, adică atinge jumătate din diferența de temperatură dintre un corp cald și unul rece (la fel coeficientul este 0,5). Dar unele surse menționează coeficientul de transfer de căldură al regeneratorului până la 0,98, fără a descrie cum se realizează acest lucru. Unde este adevărul nu este clar.
2. Alpha Stirling (doi cilindri cu pistoane - cald si rece) are probleme cu lubrifierea pistonului fierbinte. Atunci de ce este acest tip special popular?
3. Betta-styrlig (un cilindru, cu un deplasator în partea fierbinte și un piston la rece) și gama-styling (doi cilindri - cald cu un deplasator și rece cu un piston) nu au probleme cu lubrifierea, deoarece frecarea împotriva pereților este doar în cilindrul rece, iar deplasatorul are un spațiu liber față de pereții cilindrului și nu are nevoie de lubrifiere. Adică, astfel de motoare pot funcționa cu o diferență mare de temperatură, ceea ce înseamnă cu eficiență ridicată. Dar, din anumite motive, sunt considerate mai puțin promițătoare decât stirlingii alfa.

In afara de asta, indicator important care influențează eficiența este timpul ciclului (numărul de rotații) - cu cât este mai mult, cu atât este mai bun transferul de căldură și cu atât eficiența este mai mare. Dar, în același timp, există o „cursă pentru cifra de afaceri”, care este destul de greu de justificat cu altceva decât cu interese de marketing. Adică un motiv de tipul „pierdere în cutia de viteze la turații mici»Nu rezistă criticilor - astfel de pierderi sunt calculate doar ca procente, iar creșterea eficienței poate fi mai mare de 10-30%. Prin urmare, se pare că dezvoltatorii urmăresc mai multe caracteristici precum densitatea puterii și turațiile, pentru a se opune „stirling-urilor” motorului cu ardere internă și a sacrifica eficiența.

Dar poți pleca deocamdată să concurezi cu motoare cu ardere internă în transport și să te concentrezi pe motoarele Stirling staționare, lucrând pentru a le crește eficiența și a reduce costul construcției. Alimentate cu orice tip de combustibil, inclusiv cu energia solară, aceste motoare pot, în viitor, să concureze cu panourile solare. Și au perspective bune în domeniul energiei regenerabile, inclusiv al combustibilului lemnos, care este „restaurat” de energia solară în câteva decenii. Și din nou, natura omnivoră a acestor motoare face posibilă crearea de centrale electrice (inclusiv cele de uz casnic) tip combinat- in timp ce exista soare, functioneaza din energie solara, cand nu, apoi pe combustibil solid.

Adevărat, obținerea unei eficiențe ridicate nu este singura direcție pentru care merită să lupți, motoarele Stirling au un alt dezavantaj - deoarece sursa de căldură se află în afara volumului motorului, iar fluidul de lucru (gazul) are o conductivitate termică scăzută, se dovedește că ia parte la lucrează doar gazul la pereții cilindrului. Aceasta înseamnă că raportul dintre creșterea puterii și creșterea volumului cilindrului este în relație pătratică inversă. Adică, pentru a crește puterea de 5 ori, este necesară creșterea volumului cilindrului de 25 de ori.
De aceea, în zorii „stilizării”, motoarele mai mult sau mai puțin puternice erau chiar mai masive decât motoarele cu abur cu aceeași putere. Acum această problemă este rezolvată prin pomparea motorului cu gaz sub presiune mare, adică masa fluidului de lucru crește cu același volum. Dar această cale este și o fundătură - în motoare există mai mult de câțiva litri, din nou, există aceeași problemă, raportul pătratic dintre creșterea volumului și creșterea puterii. Iar problemele cu scurgerea fluidului de lucru la presiuni de 100-200 atmosfere sunt greu de rezolvat.

Pe acest fundal, o altă soluție pare să fie mai promițătoare - să facă să funcționeze tot gazul din interiorul motorului, indiferent de volum. O astfel de soluție, în ciuda simplității implementării, a fost propusă abia recent (sursa - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) - pentru a pune o pompă sau un ventilator care va crea fluxuri de gaz în interiorul motorului. Și, prin analogie cu ventilatorul care sufla pe radiator, viteza de răcire a pereților cilindrului de către gazul de lucru al motorului va crește și se va asigura participarea maximă a acestui gaz la lucru, indiferent de dimensiunea cilindrului. În teorie, acest lucru ar trebui să dea un impuls dezvoltării motoarelor Stirling, deoarece vă permite să creați versiuni destul de simple și puternice ale acestor motoare.
Și dacă nu urmăriți greutatea și dimensiunile motoarelor cu ardere internă a automobilelor, atunci poate că în curând vom auzi în sfârșit despre motoare care funcționează pe lemn sau cu energie solară, cu o eficiență de 60-70%. Și chiar dacă nu pot concura în dimensiune cu motorul cu ardere internă, pot asigura generarea de energie electrică ieftină. Și acest lucru, la rândul său, poate contribui la creșterea fezabilității economice a vehiculelor electrice. Ei bine, în combinație cu cazanele cu piroliză de împrăștiere, poate duce la o autonomie completă în alimentarea cu energie a locuințelor (în special casele noi, care necesită o sumă considerabilă de bani pentru a se conecta la rețeaua electrică și la conducta de gaz).

Ceva de genul. M-aș bucura să aud critici la adresa calculelor mele.

Postat pe site 12.03.2009.

5 PREFAȚĂ DE LA DEPARTAMENTUL DE PROGNOZĂ

Bună ziua, dragi cititori.

Seria noastră de mașini nu ar fi completă dacă nu ne-am fi uitat la mașini cu motor. extern combustie, care au fost inventate în 1816 de preotul scoțian Robert Stirling.

Motivul inventatorului a fost numărul imens de răni pe care le-au primit muncitorii în industriile revoluției industriale din Anglia.

Istoria tehnologiei raportează o singură experiență de construire a mașinilor

bazat pe utilizarea acestui motor. Acest lucru s-a întâmplat în 1972. Nu am găsit imagini cu această mașină, dar am găsit foarte articol interesant Centrul de inovare din Rusia, pe care am plăcerea să-l prezint astăzi.

Pentru o lectură calificată, vă propun o mică excursie educațională generală în acest domeniu, pe care am conceput-o sub forma unui rezumat al mai multor citate.

Sursa de căldură încălzește gazul din partea dreaptă a cilindrului schimbătorului de căldură. Gazul se dilată și prin tub exercită presiune asupra pistonului de lucru. Pistonul coboară, împinge biela și rotește volantul. În același timp, pistonul de deplasare se deplasează spre dreapta. Deplasează gazul din partea încălzită a cilindrului de schimb de căldură în partea sa rece, care are aripioare de răcire. Pistonul schimbătorului de căldură este umplut cu material termoizolant. Gazul se răcește, creând o forță inversă asupra pistonului de lucru, pistonul se ridică și ciclul se repetă de la început.

motor Stirling, motor cu ardere externă, motor cu alimentare externă și recuperare de energie termică transformată în lucru mecanic util. S. d. Numit pe nume inventator englez R. Stirling (1790-1878), care în 1816-40 a creat un motor cu ciclu deschis care funcționează cu aer încălzit. Motorul avea un regenerator imperfect (schimbător de căldură), era voluminos și greu, drept urmare nu a fost folosit. Modern S. d. Funcționează după un ciclu regenerativ închis (ciclul Stirling), format din două procese izoterme succesive și două procese izocorice. Fluidul de lucru al S. d. Este heliu sau hidrogen sub o presiune de 10-14 Mn/m2 (100—140 kgf/cm2) — este situat într-un spațiu restrâns și nu este înlocuit în timpul funcționării, ci modifică volumul doar atunci când este încălzit și răcit. Regeneratorul împarte acest spațiu într-o cavitate superioară (fierbinte) și inferioară (rece) (Fig. 1). Căldura este furnizată în cavitatea superioară de la încălzitor, din cea inferioară este îndepărtată de un răcitor în care circulă apa. În cilindrul S. d. Există 2 pistoane - un de lucru și un deplasator. Cavitățile calde și reci sunt interconectate prin canale care trec prin încălzitor, regenerator și răcitor. Ciclul de lucru al S. d. Se realizează în 4 cicluri (Fig. 2).

Raportul putere-greutate al unui motor Stirling este comparabil cu cel al unui motor Stirling. motor diesel turboalimentat. Densitatea puterii de ieșire este aceeași cu cea a unui motor diesel. Cuplul este practic independent de viteza. Motorul Stirling reacționează la schimbările de sarcină într-un mod similar cu un motor diesel, cu toate acestea, necesită un sistem de control mai complex, este mai complex decât motoarele termice convenționale. Costul de fabricație a acestuia este mai mare decât costul de fabricație a unui motor cu ardere internă, cu toate acestea, costurile de operare sunt mult mai mici.

Tehnologiile dezvoltate în 1816 de scoțianul Robert Stirling funcționează și astăzi! Ciclul Stirling folosește o sursă externă de căldură, care poate fi orice - arderea benzinei, energie solară sau chiar căldura produsă de bacteriile compost. Nu există combustibil în interiorul cilindrilor !!! Principalele calități ale motorului Stirling sunt eficiența, nivelurile scăzute de zgomot și vibrații produse în timpul funcționării, capacitatea de a utiliza diferite tipuri de combustibil și toxicitatea scăzută a gazelor de eșapament. Astăzi, motoarele Stirling sunt folosite doar în unele domenii foarte specializate, precum submarine sau ca generatoare auxiliare pe iahturile unde se cere tăcere.

Mașinile Stirling sunt mașini care funcționează într-un ciclu termodinamic închis, în care procesele ciclice de compresie și expansiune au loc la diferite niveluri de temperatură, iar debitul fluidului de lucru este controlat prin modificarea volumului acestuia. Substantele naturale gazoase (heliu, azot, aer uscat etc.) sunt folosite ca fluid de lucru. Ciclul termodinamic al mașinilor luate în considerare a fost propus în 1816 de scoțianul Robert Stirling. De la mijlocul secolului al XIX-lea, expresia „mașină Stirling” a devenit utilizată pe scară largă atât în ​​termodinamica clasică, cât și în viața de zi cu zi. Ciclul Stirling este format din două izoterme și două izocore. Prezența a două izoterme determină egalitatea eficienței termodinamice a ciclului Stirling ideal și a ciclului Carnot. Acesta este motivul pentru care mașinile cu ciclu Stirling sunt printre cele mai eficiente mașini din lume. Avantajele mașinilor care funcționează pe ciclul Stirling includ grad înalt curățenia ecologică atât a corpurilor de lucru ale mașinilor Stirling, cât și a deșeurilor medii apărute în timpul funcționării acestora, precum și eficiența energetică.

Mașinile STIRLING reprezintă o nouă direcție promițătoare în dezvoltarea ingineriei mecanice autohtone.

Până de curând, sistemele autonome de alimentare cu unități termo-mecanice tradiționale satisfaceau nivelul actual de dezvoltare a societății și tehnologiei. Cu toate acestea, agravarea la nivel național probleme globale nevoie urgentă (epuizarea resurselor naturale; iminentă criză de energie; poluarea mediului; scăderea stratului de ozon al Pământului; întărirea „efectului de seră” etc.) a condus la necesitatea adoptării la sfârșitul secolului al XX-lea a unui număr de acte legislative majore internaționale și rusești în domeniul ecologiei, managementului naturii și conservării energiei. Principalele cerințe ale acestor legi vizează reducerea emisiilor de CO2, oprirea producției de substanțe care epuizează stratul de ozon și freon R-12 ca agent frigorific pentru mașinile frigorifice cu compresie de vapori (PKHM), economisirea resurselor și a energiei, trecerea vehiculelor la combustibili ecologici. , etc.

Amploarea uriașă, creșterea costului de producție a combustibilului și a resurselor energetice și poluarea în creștere a mediului au evidențiat sarcina de a căuta noi tehnologii de conversie a energiei, de a dezvolta noi tehnologii bazate pe cicluri termodinamice extrem de eficiente, de a folosi noi tipuri de combustibili. , noi organisme de lucru etc., adică crearea unor astfel de sisteme energetice prietenoase cu mediul, care să răspundă nevoilor industriei și ale populației cu cheltuieli minime de resurse materiale. Alături de alte abordări, în rezolvarea problemelor de mediu și energetice cu care se confruntă Federația Rusă, cea mai promițătoare cale este dezvoltarea și implementarea pe scară largă a sistemelor de conversie a energiei bazate pe mașini care funcționează în cicluri Stirling înainte și invers (mașini Stirling).

În prezent, au fost dezvoltate un număr mare de diagrame de aspect și performanțe structurale ale unităților individuale ale mașinilor Stirling. Deci, doar unele unități sunt cunoscute pentru mai mult de 18 tipuri. Cu toate acestea, cele mai răspândite sunt mașinile Stirling realizate după schemele a, b, g. Din punct de vedere structural, mașinile Stirling sunt o combinatie bunaîntr-o singură unitate de compresor, expansor și schimbătoare de căldură: schimbător de căldură de sarcină (încălzitor sau condensator), regenerator și răcitor.

La cele mai recente forumuri europene și mondiale pe starea curentași perspectivele de dezvoltare a mașinilor care funcționează pe ciclul Stirling, s-a remarcat că tehnologia de fabricație a mașinilor Stirling în străinătate a fost pe deplin stăpânită. S-au rezolvat probleme de etanșare pentru piesele mobile, selecția materialelor, lipirea schimbătoarelor de căldură etc. Având în vedere acest lucru, alături de utilizarea tradițională a motoarelor și mașinilor criogenice Stirling în scopuri militare (recondensarea lichidelor cu punct de fierbere scăzut, răcirea detectorilor cu infraroșu, sistemele de alimentare autonome anaerobe etc.), utilizarea frigiderelor Stirling la nivel de frig moderat pentru depozitarea produselor alimentare si a sistemelor de aer conditionat, utilizarea motoarelor Stirling in centralele de cogenerare, a pompelor de caldura in sistemele de incalzire descentralizata etc.

Confirmarea interesului din ce în ce mai mare pentru mașinile Stirling este faptul că din 1982 se ține o conferință internațională despre motoarele Stirling o dată la doi ani, iar Forumul European despre motoarele Stirling a avut loc o dată la doi ani la Osnabrück (Germania). În plus, în Statele Unite se ține anual o conferință privind conversia diferitelor tipuri de energie, la care funcționează o secție despre motoarele Stirling. În Marea Britanie a fost creată Societatea pentru Studiul Motoarelor Stirling, din care sunt membri peste 300 de oameni de știință din întreaga lume. Din 1996, Societatea publică trimestrial revista Stirling News din Marea Britanie. Stirling Machine World este publicată trimestrial în Statele Unite din 1978. Una sau două cărți despre mașinile Stirling sunt publicate anual.

Principalele caracteristici ale ciclului Stirling sunt:

Ciclul este caracterizat de parametrii nestaționari în timp ai fluxurilor fluidului de lucru în fiecare punct al sistemului. În practică, aceasta înseamnă că o mașină Stirling, ale cărei cavități de lucru sunt incluse într-un singur volum, trebuie să fie inevitabil o mașină cu modificări periodice ale volumelor de compresie și expansiune, adică. mașină cu piston. Având în vedere acest lucru, domeniile predominante de aplicare ale unor astfel de mașini sunt de putere mică și medie;
-ciclul este destinat numai lucrului cu un fluid de lucru gazos. Pentru ca dimensiunile mașinilor la o putere dată să fie acceptabile, iar schimbul de căldură extern și intern al fluidului de lucru în aceste condiții să fie suficient de eficient, presiunea din mașină trebuie să fie semnificativ mai mare decât presiunea atmosferică. Din aceleași motive, fluidul de lucru ar trebui să aibă o vâscozitate scăzută, eventual o conductivitate termică și o capacitate termică ridicată, care este puțin dependentă de presiune (în caz contrar, vor exista pierderi intrinseci mari în regenerator datorită diferitelor echivalente termice ale fluxurilor de schimb de căldură) ;
-în ciclu, recuperarea căldurii vă permite să lucrați într-o gamă largă de temperaturi (temperaturi superioare și inferioare ale ciclului) la rapoarte relativ mici ale presiunilor de compresie și expansiune;
- pentru implementarea ciclului, hidrogenul, heliul, azotul, aerul și alte substanțe gazoase pot fi folosite ca corpuri de lucru. Utilizarea ca mediu de lucru a gazelor cu o valoare ridicată a constantei de gaz (R), precum hidrogenul sau heliul, face posibilă obținerea eficienței exergie * la mașinile Stirling. peste 50%;
- versatilitatea ciclului, pe baza acestuia este posibil să se creeze atât convertoare ale ciclului înainte, cât și ale ciclului invers.

· (Notă KP. Despre „metodele exergie de analiză”: aceasta este o abordare bazată pe utilizarea potențialelor termodinamice în analiza proceselor de conversie a energiei într-un sistem, vezi,,.)

Ciclul Stirling în convertorul cu ciclu direct constă din patru procese: - procesul de compresie izotermă, căldura din fluidul de lucru cu temperatura T comp este transferată în mediu; - proces la volum constant, căldura de la duza de regenerare este transferată în fluidul de lucru; - procesul de dilatare izotermă, căldura dintr-o sursă externă cu o temperatură T max este transferată în fluidul de lucru; - procesul este la un volum constant, căldura din fluidul de lucru este transferată la duza regeneratorului.

Ciclul Stirling din convertorul de ciclu invers constă, de asemenea, din patru procese. Diferența cu motorul este că temperatura sursei externe de la care este furnizată căldura în timpul procesului de expansiune este mai mică decât temperatura fluidului de lucru, care elimină căldura în timpul procesului de compresie. În cazul unui răcitor, căldura este îndepărtată din cavitatea rece în timpul procesului de expansiune de 3 '-4'. Lucrarea de compresie (zona 1-2-5-6) este aceeași atât pentru motor, cât și pentru mașina frigorifică. Lucrul de expansiune (zona 4’-3’-5-6) în răcitor este mai mic decât munca de compresie, iar pentru acest ciclu este necesară energie furnizată dintr-o sursă externă, echivalentă cu suprafața de 1- 2-3'-4'. La trecerea din cavitatea de compresie în cavitatea de expansiune în procesul 2-3' temperatura fluidului de lucru scade, iar în procesul 4'-1 creşte în mod corespunzător.

Mașini cu ciclu direct Stirling - Motor Stirling

În studiile mondiale privind tehnologia de conversie a energiei, motorul Stirling este considerat motorul cu cel mai mare potențial pentru dezvoltare ulterioară. Nivel scăzut zgomot, toxicitate scăzută a gazelor de eșapament, capacitatea de a funcționa cu diverși combustibili, resurse lungi, dimensiuni și greutate comparabile, caracteristici bune cuplu - toți acești parametri permit mașinilor Stirling să curând presă în mod semnificativ motoarele cu ardere internă (ICE). Motorul Stirling aparține clasei de motoare cu alimentare externă de căldură (DVPT). În acest sens, în comparație cu motoarele cu ardere internă, la motoarele Stirling procesul de ardere se desfășoară în afara cilindrilor de lucru și decurge mai mult echilibrat, ciclul de lucru se realizează într-un circuit intern închis la rate relativ mici de creștere a presiunii în cilindrii motorului. , natura netedă a proceselor termo-hidraulice ale fluidului de lucru al circuitului intern, în absența unui mecanism de supapă de distribuție a gazelor. Trebuie remarcat faptul că în continuare firme străine a început producția de motoare, specificații care sunt deja superioare motoarelor cu ardere internă și turbinelor cu gaz (GTU).

Motor Stirling cu doi cilindri în V de 90 ° al companiei germane SOLO "SOLO Stirling 161"

Motorul Stirling este un motor termic unic, deoarece eficiența sa teoretică este eficienta maxima motoare termice (eficiența ciclului Carnot). Funcționează prin dilatarea termică a gazului, urmată de comprimarea gazului după ce acesta s-a răcit. Un motor Stirling conține un volum constant de gaz de lucru care se deplasează între partea „rece” (de obicei la temperatura ambiantă) și partea „fierbintă”, care este de obicei încălzită prin arderea oricărui tip de combustibil sau altă sursă de căldură. Încălzirea se realizează extern, de aceea motorul Stirling este denumit motoare cu ardere externă. Până la începutul anilor 90 ai secolului trecut, lucrările la crearea motoarelor Stirling au fost realizate de companii cunoscute precum „Philips” (Olanda), „General Motors Co”, „ motor Ford Co”,„ NASA Lewis Research Center”, “Laboratorul Național Los Alamos” (SUA),” MAN-MBW ”(Germania),” Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp. ” (Japonia). În ultimul deceniu, Daimler Benz și Cummins Power Generation (CPG) și o serie de alte firme mari au început, de asemenea, să lucreze la crearea motoarelor Stirling.

Mașini cu ciclu invers Stirling - Răcitoare Stirling.

Una dintre cele mai promițătoare direcții în dezvoltarea tehnologiei frigorifice în secolul XXI este crearea și utilizarea mașinilor frigorifice Stirling de frig moderat (HMS UH). În teorie, eficiența răcitoarelor Stirling la rece moderată este egală cu eficiența unui răcitor Carnot ideal. Substanțele care îndeplinesc pe deplin cerințele Convenției de la Viena pentru protecția stratului de ozon și ale Protocolului de la Montreal privind substanțele care diminuează stratul de ozon pot fi utilizate ca fluide de lucru pentru mașinile Stirling cu ciclu invers. Prin urmare, introducerea pe scară largă a mașinilor de refrigerare Stirling cu frig moderat în viitorul apropiat ar face posibilă rezolvarea problemei creării adecvate. cerințe moderne sisteme de refrigerare. Gama modernă de producție a acestor mașini variază de la 1 la 100 kW, ceea ce asigură utilizarea lor în sistemele frigorifice din multe domenii ale industriei și comerțului. Avantajele HMS UX sunt: ​​valoarea ridicată a coeficientului de performanță, gamă largă utilizarea în zona de frig moderat (de la 0 la -80 0С) și curățenia mediului înconjurător a corpurilor de lucru (heliu, hidrogen, azot, aer). În străinătate, producția în serie a mașinilor frigorifice Stirling cu frig moderat a început deja, din punct de vedere al eficienței și al respectării mediului, superioară mașinilor frigorifice existente care funcționează în alte cicluri, inclusiv mașinile frigorifice cu compresie de vapori.

Analiza informațiilor științifice și tehnice moderne străine ne permite să afirmăm că în țările industrializate, în ultimii 10 ani, au început lucrări intense de cercetare și dezvoltare pentru a pregăti producția de serie a frigiderelor Stirling. Deja, pe piețele externe au început să intre noi echipamente frigorifice care utilizează mașini din acest ciclu. Un exemplu izbitor al perspectivelor frigiderelor Stirling este începerea producției de masă în 2004 de către un astfel de gigant precum corporația sud-coreeană „LG Electronic Inc” a frigiderelor de casă bazate pe frigidere Stirling cu o unitate liniară.

Probleme legate de crearea de mașini Stirling extrem de eficiente.

Experiența străină în crearea de mașini Stirling moderne de mare eficiență arată că, fără modelarea matematică precisă a proceselor de lucru și proiectarea optimă a unităților principale, rafinamentul mașinilor proiectate se transformă în cercetare experimentală obositoare pe termen lung. În prezent, firmele occidentale care conduc dezvoltările în acest domeniu se bazează în principal pe studiile teoretice și experimentale ale departamentelor lor științifice, universităților tehnice sau creează parcuri tehnologice pentru dezvoltarea anumitor tipuri de mașini Stirling. Mai mult, aceasta este complexitatea proiectării unităților individuale, problemele din domeniul etanșărilor, controlul puterii etc. Caracteristicile de proiectare sunt determinate de corpurile de lucru utilizate. Deci, de exemplu, heliul are superfluiditate, ceea ce determină cerințe crescute pentru elementele de etanșare ale pistoanelor de lucru, tija de deplasare etc. Formarea aspectului mașinilor Stirling promițătoare destinate producției este imposibilă fără dezvoltarea de noi soluții tehnice pentru unitățile principale. A treia problemă este nivelul înalt al tehnologiei de producție. Această problemă este asociată cu necesitatea de a utiliza aliaje rezistente la căldură și metale neferoase în mașinile Stirling, sudarea și lipirea acestora. O problemă separată este fabricarea unui regenerator și a duzelor pentru acesta, pentru a asigura, pe de o parte, o capacitate termică mare și, pe de altă parte, rezistență hidraulică scăzută. Toate acestea necesită personal înalt calificat și echipamente tehnologice moderne.

În concluzie, vorbind despre problemele creării mașinilor Stirling, este necesar să tragem două concluzii:
- intensitatea științifică ridicată a acestui domeniu de tehnologie este principalul factor de descurajare pentru utilizarea pe scară largă a mașinilor care funcționează pe ciclul Stirling;
- succesul în crearea de mașini Stirling competitive pe piața mondială poate fi obținut doar ca rezultat al sintezei nivel inalt cercetare științifică, studiu atent de proiectare a principalelor unități de mașini Stirling și tehnologie avansată de producție.

Analiza evoluțiilor interne în domeniul mașinilor Stirling.

Perspectivele pentru producția și utilizarea pe scară largă a mașinilor Stirling în diferite domenii ale economiei interne se datorează prezenței în Rusia a peste 30 de ani de experiență tehnologică acumulată în producția de mașini Stirling cu gaz criogenic. Firme producătoare echipamente frigorifice cu mașini criogenice Stirling sunt OJSC Uzina de constructii de masini Arsenal, NPO Geliymash, etc. Cu toate acestea, trebuie remarcat că KGM din Stirling produse de aceste întreprinderi nu sunt evoluții interne, și sunt copii ale mașinilor criogenice produse anterior de firmele olandeze „N.V. Philips Gloeilampenfabrieken” („Philips”) și „Werkspoor”.

În Rusia, au fost făcute în mod repetat încercări de a crea motoare și frigidere Stirling interne, dar acestea, din cauza lipsei unor metode de calcul adecvate și a dificultăților financiare, nu au avut un succes serios. Deci, la AOZT „ARSMASH” din 1991 până în 1994, s-a lucrat la studiul unităților frigorifice promițătoare pentru vehicule frigorifice. Analiza a arătat că doar o mașină frigorifică Stirling poate acționa ca cea mai promițătoare unitate frigorifică. În acest sens, au fost create prototipuri de mașini frigorifice cu o capacitate de până la 5 kW, care funcționează în intervalul de la 285 K la 230 K, care din punct de vedere al eficienței și caracteristicilor de greutate și dimensiune corespundeau PKHM-ului modern pentru vehicule frigorifice. Au fost elaborate estimări de proiectare și documentație de proiectare pentru producția sa în serie. Cu toate acestea, din cauza scăderii generale a economiei și a dificultăților financiare ale clientului, lucrările la acest proiect au fost oprite.

În 1996, la OJSC „Uzina de construcție de mașini „ARSENAL”, în cadrul unui acord cu SE GOKB „Prozhektor”, au început lucrările pe tema „Cercetarea și dezvoltarea unităților electrice bazate pe motoare Stirling multicombustibil”. Acest subiect a fost inclus sub codul „Stirling” în complexul de cercetare și dezvoltare „Peredvizhka”, inclus în ordinul de stat prin decretul Guvernului Federației Ruse din 03/02/96 N 227-15. Din cauza lipsei de finanțare reală de la bugetul federal, aceste lucrări nu au fost finalizate în totalitate.

În 1997-1998, la OJSC „MZ” ARSENAL a fost elaborat un pachet de documente pentru o cerere de includere în Programul Federal de Restructurare și Conversie a Întreprinderilor de Apărare a subiectului: „Dezvoltarea și crearea producției de motoare ecologice cu exterior alimentare cu căldură, frigidere, pompe de căldură și centrale anaerobe bazate pe ciclul Stirling”. Proiectul nu prevedea suplimentar lucrari de constructie, deoarece lansarea de noi produse a fost planificată să fie efectuată prin încărcarea eliberate după conversie facilități de producție fabrică. La implementare cu succes din proiectul de mai sus, a fost planificat până în 2004 să se stabilească producția la scară mică de motoare și frigidere Stirling cu o capacitate de până la 100 kW. Cu toate acestea, aceste lucrări nu au fost încă implementate din cauza lipsei de finanțare.

În prezent, s-a dezvoltat o situație destul de paradoxală, care constă în faptul că Rusia are mulți ani de experiență și tehnologie pentru producția de mașini Stirling, dar nu are experiență. propriile dezvoltări, mașini Stirling produse în serie. Această situație se datorează în principal faptului că în ultimii 15 ani în Rusia din cauza criză economică o atmosferă inovatoare extrem de nefavorabilă s-a dezvoltat în multe organizații științifice rusești, în care s-a lucrat anterior pe tema creării de mașini Stirling, de exemplu, M.V. Bauman, VNIIGT, OMPI (TU), Universitatea Tehnică de Stat din Sankt Petersburg (Universitatea Politehnică), TsNIDI etc., cercetările au fost complet oprite din cauza dificultăților financiare. În același timp, cele mai semnificative rezultate în crearea de mașini Stirling extrem de eficiente au fost obținute în străinătate în ultimii 15 ani.

„Inovator Centru de cercetare Stirling Technologies.

Ținând cont de perspectivele mașinilor Stirling, specialiștii LLC Innovation Research Center Stirling - Technologies in anul trecut au fost efectuate o serie de studii teoretice și experimentale, în urma cărora a fost dezvoltată o nouă metodologie pentru proiectarea și calculul mașinilor din acest ciclu. Această metodologie include mai multe „know-how”, inclusiv: o metodă unică de optimizare multi-parametrică pe două niveluri a mașinilor Stirling; sinteza structurală a mașinilor Stirling pe baza metodei de analiză exergie funcțională a dispozitivelor termomecanice complexe; design optim bazat pe TRIZ (KP evidențiat)... Metodologia dezvoltată pentru proiectarea și calculul mașinilor Stirling face posibilă reducerea timpului pentru crearea de noi tipuri de mașini Stirling la 1,5-2 ani, cu o eficiență corespunzătoare celor mai buni analogi din lume.

Pe baza soluțiilor tehnice propuse, specialiștii SRL „Centrul de Inovare și Cercetare“ Stirling - Technologies ”în 1994-2003 au depus peste 150 de cereri pentru presupuse invenții. O atenție deosebită a fost acordată dezvoltării unităților individuale de mașini Stirling și proiectării acestora, precum și creării de noi diagrame schematice ale instalațiilor diferitelor scop functional... Practica a arătat că proiectarea optimă va reduce semnificativ costul unitar total al mașinilor în timpul producției pilot și al producției în serie. Soluțiile tehnice propuse, ținând cont de faptul că mașinile Stirling sunt mai puțin costisitoare de exploatat, fac posibilă creșterea rentabilității lor economice în comparație cu convertoarele tradiționale de energie. Utilizarea pe scară largă a mașinilor Stirling va fi asociată cu dezvoltarea teoriei de proiectare a mașinilor cu mai mulți cilindri din acest ciclu, care va face posibilă crearea de motoare și frigidere cu o capacitate de până la 1000 kW.

Centrale de cogenerare cu motoare Stirling multicombustibil.

cogenerare Stirling - tehnologie nouă pentru producerea combinată de energie electrică și căldură, pe bază de motoare Stirling, în care energia apei de răcire și a gazelor reziduale este utilizată pentru nevoile de alimentare cu căldură a consumatorilor. Eficiența utilizării unui motor Stirling în instalațiile de cogenerare, în comparație cu un motor cu ardere internă, se datorează particularității echilibrului său termic. Pierderea de căldură cu gazele de eșapament și în apa de răcire pentru motorul Stirling este, respectiv, de 10% și respectiv 40%, ceea ce, ținând cont de randamentul mai mare. motorul în sine, vă permite să creați unități de cogenerare compacte și foarte eficiente.

Centrală de cogenerare cu o capacitate de 9,5 kW energie electrică și 30 kW energie termică.

Avantajele utilizării unităților de cogenerare cu motoare Stirling pe combustibil local în regiunile Federației Ruse:

Independență față de conjunctura pieței petrolului și gazelor naturale.
--- Posibilitatea de încărcare a întreprinderilor locale pentru producția de echipamente pentru procurarea și prelucrarea combustibilului local.
--- Nu este nevoie să se creeze instalații de stocare pentru rezervele de combustibil de hidrocarburi și transportul acestuia.
--- Nu este nevoie de așezarea și întreținerea rețelelor electrice atunci când electrizarea zonelor îndepărtate.
--- Reducerea semnificativă a cheltuielilor bugetelor regionale pentru achiziționarea de combustibil importat.
--- Reducerea semnificativă a costurilor companiilor de petrol și gaze pentru achiziționarea de combustibil importat datorită utilizării gazului petrolier asociat ca combustibil pentru motor.

1..Costul pentru 1 kW/h de energie electrică produsă de unitatea de cogenerare va fi de la 30 la 50 de copeici, ceea ce este de 2-3 ori mai ieftin decât tarifele existente. (KP evidențiat)
2. Resursa convertorului ciclului direct al unei centrale de cogenerare este crescută de aproximativ 2 ori în comparație cu un motor cu ardere internă.
3 .. În timpul arderii combustibilului, conținutul de CO din gazele tratate este de 3 ori mai mic, iar conținutul de NO și CH este semnificativ mai scăzut, ceea ce îndeplinește cele mai stricte standarde globale de mediu.
4 .. Perioada de amortizare a centralelor de cogenerare este de 2,5 ani.

Modernizarea centralelor din mini-centrale de cogenerare pe baza folosirii motorului Stirling.

SRL „Centrul de Cercetare și Dezvoltare” Stirling Technologies „este o companie care activează în domeniul creării de inovații extrem de eficiente pentru complexul de energie termică și energetică al Federației Ruse. Specialiștii companiei au dezvoltat o tehnologie nouă, de neegalat, pentru transferul centralelor termice existente. alimentarea mini-CHP-urilor care utilizează motoare Stirling.

Un exemplu de amenajare a echipamentelor pentru modernizarea unui cazan într-o mini-centrală de cogenerare bazată pe utilizarea unei instalații de reciclare cu motor Stirling.

Fără a modifica designul existent al cazanului stației de alimentare cu căldură, instalarea unui încălzitor de motor Stirling în coșul unității cazanului face posibilă transformarea căldurii gazelor arse de evacuare în energie mecanică și electrică utilă. Utilizarea căldurii gazelor de eșapament folosind un motor Stirling este cea mai promițătoare direcție pentru creșterea eficienței unității cazanului. Tehnologia propusă poate fi utilizată eficient în modernizarea cazanelor de diferite capacități. Energia electrică rezultată poate fi utilizată atât pentru acoperirea necesarului de energie electrică pentru nevoile proprii ale cazanului, cât și pentru a genera energie electrică către rețeaua electrică externă. Eficiența economică a utilizării instalațiilor de reciclare cu motoare Stirling în modernizarea stațiilor de alimentare cu căldură a cazanelor:
1. Costul a 1 kWh de energie electrică generată cu ajutorul unei instalații de reciclare cu motor Stirling este de 8 ori mai ieftin decât tarifele existente pentru alimentarea centrală.
2. Perioada de rambursare pentru modernizarea cazanelor din minicentrale de cogenerare pe baza utilizarii instalatiilor de utilizare cu motor Stirling nu depaseste 3 ani, in functie de datele tehnice si economice initiale.

Utilizarea biomasei la utilizarea motorului Stirling.

Un exemplu de amenajare a unei fabrici de combustibil solid cu un motor Stirling, LLC „IIC” Stirling-technologies”.

Compania germană „SOLO Stirling Engine” dezvoltă sisteme Stirling-Cogeneration cu utilizare directă a combustibilului solid, în principal lemn, dar se confruntă cu unele dificultăți, precum îndepărtarea zgurii din camera de ardere sau prevenirea sinterizării particulelor de combustibil. Cercetările efectuate cu Generatorul de Gaz în vara anului 1998 au arătat că gazul de lemn produs acolo îmbunătățește arderea combustibililor solizi și a rășinilor. Combinația unui gazifier cu Stirling-Cogeneration este un dispozitiv extrem de eficient, deoarece gazul fierbinte obținut din gazeificator nu trebuie răcit pentru a fi utilizat în Stirling-Cogeneration.
Specialiștii LLC „Centrul de inovare și cercetare“ Stirling - Technologies ”din Rusia sunt, de asemenea, implicați activ în dezvoltarea unor sisteme similare, de exemplu, proiectarea sursei de alimentare a unui oraș de cabane folosind motoare Stirling care funcționează cu gaz generator din turbă. Totodată, dezvoltarea unor instalații de combustibil solid cu motor Stirling, care funcționează pe așchii de lemn, cărbune și praf de cărbune, turbă, șist, deșeuri agricole și gunoi de grajd, deșeuri menajere etc.

Sisteme de energie solară.

Versiunea solară a motorului Stirling 161 produs de firma germană SOLO system (EURODISH).

Versiunea solară a motorului Stirling 161 este folosită de mai mulți producători în diverse modele. Din 1997, 6 sisteme funcționează pe platoul solar spaniol de Almeria. Ca parte a unui proiect susținut de UE în cooperare cu Schlaich Bergermann und Partner und MERO Raumsysteme GmbH, printre altele, se construiește o nouă generație a sistemului Dish Stirling de 10 kW. Scopul proiectului este reducerea costurilor de investiție la 5.000 EUR/kW. În acest caz, Stirling 161 intră din nou în vigoare cu modificări în receptor, cavitate și carenă. Caracteristicile noului sistem Dish / Stirling (EURODISH): capacitate nominală Stirling 161 SOLO 10,0 kW brut, diametru oglindă solară 8,5 m. În Alanya, Centrul de Cercetare a Energiei Solare din Turcia a creat Kombassan Holding, o companie care se bazează pe munca pregatitoare Cummins. Munca este foarte intensă și dă rezultate bune.

DUPA CURSUL DEPARTAMENTULUI DE PROGNOZA

Întrebările pe care le am sunt firești pentru contextul selectat al trecerii în revistă a istoriei industriei auto.

Se poate repeta această soluție tehnică în condițiile realităților actuale ale crizei economice, când toată lumea încearcă să „economisească bani”?

Luați în considerare opțiunile:

1. Motor Stirling ca singur motor pentru o mașină. Dezvoltarea scenariului - „mașină omnivoră”.

Raspunsul meu este nu. Există încă suficient petrol și gaze în lume. Sunt atât de mulți oameni și capital angajați în producția și întreținerea ICE-urilor pe benzină-diesel încât nu văd niciun motiv serios să vorbim despre fenomenul „subminarii”.

2. Poate fi construit un hibrid conform „ORICE Combustibil-Motor- Stirling - motor electric "?

Un scenariu foarte asemănător a fost încercat în 1965 în aviație.

Aeronava IL-18P în sine este un mister. Presupun că acesta a fost un fel de glumă sau dezinformare special creată, a cărei scurgere ar putea devia resursele financiare ale concurenților într-o direcție ineficientă.

Astfel de exemple au fost în istoria tehnologiei. De exemplu, la începutul anilor '70, s-a decis să se dezvolte tehnologia informatică în URSS pe calea mașinilor virtuale mari din seria UE. Îmi amintesc încă marele aforism al profesorului meu în programarea Assembler: „Mașinile din seria UE sunt cel mai bun exemplu de sabotaj științific și tehnic al SUA împotriva URSS”.

A fost o cale fără sfârșit în dezvoltarea tehnologiei de calcul, care prin mijloace Mass-media occidentală iar acțiunile pricepute ale serviciilor speciale au devenit pentru noi cele mai importante și s-au adăugat la decalajul nostru în dezvoltarea producției de calculatoare. Bani uriași au fost cheltuiți „în locul nepotrivit”.

Poate situația cu avionul cu abur este ceva asemănător.

Răspunsul KP la opțiunea 2 este „cu greu”. Motivul este același ca și în Opțiunea 1.

3. Se poate construi un hibrid după schema „ICE + recuperare căldură folosind un motor Stirling”? Benzină motor diesel cu ardere internă 70-75%

energia combustibilului trece în căldură și frecare.

Imediat apare o furculiță subopțiunea A: urcă la bord două tipuri de energie mecanică: de la motorul cu ardere internă și de la Stirling? subopțiunea B: Urcă-te la bordul unui mecanic de la un motor cu ardere internă și electricitate pentru un motor electric.

Dacă opțiunea B se încadrează în conceptul general de design al multor moderne mașini hibride, unde procesele de recuperare sunt considerate stabilirea de obiective, atunci nu pot da un număr mare de exemple de succes durabil pentru opțiunea A.

În aceste aeronave din 1958 și 1966 s-au folosit DOUĂ tipuri forta de ridicare: Arhimede şi din efectul Magnus. După cum putem vedea, aceste soluții tehnice au apărut după declinul erei aeronauticii. Și nu știm nimic despre adevăratele lor proprietăți. Doar faptele despre cercetarea și dezvoltarea efectuată.

Este posibil, desigur, să spunem că o navă cu elice sau un abur cu roți cu zbaturi și pânze sunt în același timp astfel de exemple, dar încă nu sunt în întregime corecte, deoarece energia eoliană din aceste sisteme este încă localizată în Super-sistem și poate fi utilizată independent, iar opțiunea A, totuși, implică utilizarea energiei termice care este creată în interiorul vehiculului în timpul funcționării.

Vorbind despre motoarele Stirling, se poate spera că pot obține un impuls de dezvoltare din criză ca mici centrale electrice omnivore, dar este puțin probabil să „pătrundă” mașina. Ocluzia hidrogenului și heliului, pătrunderea acestor substanțe prin pereții metalici, dizolvarea lor în metal nu este un fenomen academic, ci unul complet tehnic. Presiunile uriașe de funcționare, combinate cu vibrațiile de transport, sugerează, de asemenea, mari probleme în eludarea contradicției: „sunt necesari pereți groși pentru a crește durabilitatea, dar acest lucru reduce capacitățile de transfer de căldură ale pereților și crește greutatea motorului”.

Nu am discutat deloc despre o altă caracteristică a acestor mașini uimitoare. Capacitatea de a le folosi ca pompe de căldură. Acestea sunt manifestări izbitoare ale principiului inversării, care abundă în istoria tuturor mașinilor unde există încălzire, dar puteți vorbi despre asta ore întregi. Să facem o problemă separată despre asta cumva.

Motorul Stirling, al cărui principiu de funcționare este diferit calitativ de cel obișnuit pentru toate motoarele cu ardere internă, a fost odată ultimul concurență demnă... Cu toate acestea, au uitat de el o vreme. Cum este utilizat acest motor astăzi, care este principiul funcționării acestuia (în articol puteți găsi și desene ale motorului Stirling care demonstrează clar funcționarea acestuia) și care sunt perspectivele de utilizare în viitor, citiți mai jos.

Istorie

În 1816, în Scoția, Robert Stirling a brevetat astăzi numele după inventatorul său. Primele motoare cu aer cald au fost inventate înaintea lui. Dar Stirling a adăugat dispozitivului un purificator, care în literatura tehnică este numit regenerator sau schimbător de căldură. Datorită lui, performanța motorului a crescut, menținând unitatea caldă.

Motorul a fost recunoscut ca fiind cel mai durabil motor cu aburi dintre cele disponibile la acel moment, deoarece nu a explodat niciodată. Înainte de el, această problemă a apărut adesea pe alte motoare. În ciuda succesului său rapid, la începutul secolului XX, dezvoltarea sa a fost abandonată, deoarece a devenit mai puțin economică decât alte motoare cu ardere internă și motoare electrice apărute atunci. Cu toate acestea, Stirling a continuat să fie folosit în unele industrii.

Motor cu ardere externă

Principiul de funcționare al tuturor motoarelor termice este că pentru a obține gaz în stare expandată, sunt necesare forțe mecanice mai mari decât la comprimarea unuia rece. Pentru a demonstra clar acest lucru, se poate face un experiment cu două oale umplute cu rece și apa fierbinte precum și o sticlă. Acesta din urmă este scufundat în apă rece, astupat, apoi transferat în apă fierbinte. Acest lucru va face ca gazul din sticlă să facă lucrări mecanice și să împingă dopul afară. Primul motor cu ardere externă s-a bazat în întregime pe acest proces. Adevărat, mai târziu, inventatorul și-a dat seama că o parte din căldură poate fi folosită pentru încălzire. Astfel, productivitatea a crescut semnificativ. Dar nici asta nu a ajutat motorul să se răspândească.

Mai târziu, Erickson, un inginer din Suedia, a îmbunătățit designul propunând răcirea și încălzirea gazului la presiune constantă în loc de volum. Ca urmare, multe exemplare au început să fie folosite pentru lucrări în mine, pe nave și în tipografii. Dar pentru echipaje, acestea s-au dovedit a fi prea grele.

Motoare cu ardere externă de la Philips

Astfel de motoare sunt de următoarele tipuri:

• aburi;
• turbină cu abur;
• Stirling.

Ultimul tip nu a fost dezvoltat din cauza fiabilității scăzute, iar restul nu sunt cele mai multe performanta ridicataîn comparaţie cu alte tipuri de agregate care au apărut. Cu toate acestea, în 1938, Philips și-a reluat operațiunile. Motoarele au început să servească la acționarea generatoarelor în zonele neelectrificate. În 1945, inginerii companiei le-au găsit o utilizare inversă: dacă arborele este rotit de un motor electric, atunci răcirea chiulasei atinge minus o sută nouăzeci de grade Celsius. Apoi s-a decis să se utilizeze un motor Stirling îmbunătățit în unitățile frigorifice.

Principiul de funcționare

Acțiunea motorului este de a lucra în cicluri termodinamice, în care compresia și dilatarea au loc la temperaturi diferite. În acest caz, reglarea debitului fluidului de lucru se realizează datorită volumului variabil (sau presiunii - în funcție de model). Acesta este principiul de funcționare al majorității acestor mașini, care pot avea diferite funcțiiși scheme constructive. Motoarele pot fi alternative sau rotative. Mașinile cu instalațiile lor funcționează ca pompe de căldură, frigidere, generatoare de presiune și așa mai departe.

În plus, există motoare cu ciclu deschis în care controlul debitului este realizat prin intermediul supapelor. Se numesc motoare Erickson, cu excepția numelui comun al numelui Stirling. În motorul cu ardere internă muncă utilă se efectuează după comprimarea preliminară a aerului, injecția de combustibil, încălzirea amestecului rezultat amestecat cu ardere și expansiune.

Motorul Stirling are același principiu de funcționare: la temperaturi scăzute are loc compresia, iar la temperaturi ridicate, expansiune. Dar încălzirea se realizează în moduri diferite: căldura este furnizată prin peretele cilindrului din exterior. Prin urmare, a primit numele motorului cu ardere externă. Stirling a folosit o schimbare periodică a temperaturii cu un piston de deplasare. Acesta din urmă mută gazul dintr-o cavitate a cilindrului în alta. Pe de o parte, temperatura este constant scăzută, iar pe de altă parte, este ridicată. Când pistonul se mișcă în sus, gazul se deplasează din cavitatea caldă în cea rece și în jos revine la cea fierbinte. În primul rând, gazul degajă multă căldură frigiderului și apoi primește atâta căldură de la încălzitor cât a dat. Între încălzitor și frigider este plasat un regenerator - o cavitate umplută cu material căruia gazul eliberează căldură. În caz de curgere inversă, regeneratorul îl returnează.

Sistemul de deplasare este conectat la un piston de lucru care comprimă gazul la rece și îi permite să se extindă la căldură. Munca utilă se face prin compresie la o temperatură mai scăzută. Întregul sistem trece prin patru cicluri cu mișcări intermitente. Mecanismul manivela asigură astfel continuitatea. Prin urmare, granițele ascuțite între etapele ciclului nu sunt observate, iar Stirling nu scade.

Având în vedere toate cele de mai sus, concluzia sugerează că acest motor este o mașină cu piston cu alimentare externă de căldură, în care fluidul de lucru nu părăsește spațiul restrâns și nu este înlocuit. Desenele motorului Stirling ilustrează bine structura și principiul funcționării acestuia.

Detalii de lucru

Soarele, electricitatea, energia nucleară sau orice altă sursă de căldură pot furniza energie unui motor Stirling. Principiul corpului său este să folosească heliu, hidrogen sau aer. Un ciclu ideal are o eficiență termică maximă posibilă de treizeci până la patruzeci de procente. Dar cu un regenerator eficient, va putea funcționa cu mai mult Eficiență ridicată... Regenerarea, încălzirea și răcirea sunt asigurate de schimbătoare de căldură încorporate fără ulei. Trebuie remarcat faptul că motorul are nevoie de foarte puțină lubrifiere. Presiunea medie în cilindru este de obicei de 10 până la 20 MPa. Prin urmare, aici este necesar un sistem de etanșare excelent și capacitatea de a introduce ulei în camerele de lucru.

Caracteristici comparative

Cele mai multe motoare de acest fel aflate în funcțiune astăzi folosesc combustibil lichid... Presiunea continuă este ușor de controlat, ceea ce ajută la reducerea emisiilor. Absența supapelor asigură o funcționare silențioasă. Puterea/greutate este comparabilă cu motoarele turbo, iar raportul putere/greutate este egal cu cel al unei unități diesel. Viteza și cuplul sunt independente unul de celălalt.

Costul de producere a unui motor este mult mai mare decât cel al unui motor cu ardere internă. Dar în timpul funcționării, se obține indicatorul opus.

Avantaje

Orice model de motor Stirling are multe avantaje:

• Eficiența în designul modern poate fi de până la șaptezeci la sută.
• Nu există sistem în motor aprindere de înaltă tensiune, arbore cu came și supape. Nu va trebui ajustat pe toată durata de viață.
• La Stirlings, nu există o astfel de explozie ca în motorul cu ardere internă, care încarcă puternic arborele cotit, rulmenți și biele.
• Nu au acest efect când spun că „motorul s-a oprit”.
• Datorită simplității dispozitivului, acesta poate fi utilizat pentru o perioadă lungă de timp.
• Poate funcționa atât pe lemn, cât și cu combustibil nuclear și orice alt tip.
• Arderea are loc în afara motorului.

dezavantaje

Aplicație

În prezent, un motor Stirling cu generator este folosit în multe domenii. Este o sursă versatilă de energie electrică în frigidere, pompe, submarine și centrale solare. Se datorează aplicației de diverse feluri combustibil există posibilitatea utilizării sale pe scară largă.

Renaştere

Datorită lui Philips, aceste motoare au fost dezvoltate din nou. La mijlocul secolului XX, General Motors a încheiat un acord cu ea. Ea a condus dezvoltarea pentru aplicarea Stirling-urilor în dispozitive spațiale și subacvatice, nave și mașini. În urma acestora, o altă companie din Suedia, United Stirling, a început să se ocupe de dezvoltarea lor, inclusiv de posibila utilizare în

Astăzi, motorul liniar Stirling este utilizat în instalațiile vehiculelor subacvatice, spațiale și solare. Un mare interes pentru acesta este cauzat de relevanța problemelor de degradare a mediului, precum și a luptei împotriva zgomotului. În Canada și SUA, Germania și Franța, precum și Japonia, există o căutare activă pentru dezvoltarea și îmbunătățirea utilizării acestuia.

Viitor

Avantajele clare pe care le au pistonul și pistonul Stirling, constând într-o durată lungă de viață, utilizarea diferiților combustibili, zgomot și toxicitate scăzută, îl fac foarte promițător pe fundalul unui motor cu ardere internă. Cu toate acestea, dat fiind faptul că motorul cu ardere internă a fost îmbunătățit de-a lungul întregului timp, acesta nu poate fi deplasat cu ușurință. Într-un fel sau altul, tocmai un astfel de motor ocupă astăzi o poziție de lider și nu intenționează să-l predea în viitorul apropiat.

Motorul Stirling, cândva celebru, a fost uitat multă vreme din cauza utilizării pe scară largă a unui alt motor (combustie internă). Dar astăzi auzim din ce în ce mai multe despre el. Poate că are șansa să devină mai popular și să-și găsească locul în noua modificareîn lumea modernă?

Istorie

Motorul Stirling este un motor termic care a fost inventat la începutul secolului al XIX-lea. Autorul, după cum știți, a fost un anume Stirling pe nume Robert, un preot din Scoția. Dispozitivul este un motor cu ardere externă, în care corpul se mișcă într-un recipient închis, schimbându-și constant temperatura.

Din cauza proliferării unui alt tip de motor, acesta a fost aproape uitat. Cu toate acestea, datorită avantajelor sale, astăzi motorul Stirling (mulți amatori îl construiesc acasă cu propriile mâini) revine din nou.

Principala diferență față de un motor cu ardere internă este că energia termică vine din exterior și nu este generată în motorul în sine, ca într-un motor cu ardere internă.

Principiul de funcționare

Vă puteți imagina un volum de aer închis, închis într-o carcasă cu o membrană, adică un piston. Când corpul se încălzește, aerul se extinde și efectuează lucru, îndoind astfel pistonul. Apoi se răcește și se pliază din nou. Acesta este ciclul mecanismului.

Nu e de mirare că motor termoacustic Multe produse Stirling sunt făcute acasă. Uneltele și materialele pentru aceasta necesită minimul care poate fi găsit în casa fiecăruia. Luați în considerare două căi diferite cât de ușor este să-l creezi.

Materiale pentru lucru

Pentru a face un motor Stirling cu propriile mâini, veți avea nevoie de următoarele materiale:

• staniu;
• spiță de oțel;
• tub de alama;
• ferăstrău;
• fişier;
• suport din lemn;
• foarfece pentru metal;
• detalii elemente de fixare;
• ciocan de lipit;
• lipire;
• lipire;
• mașinărie.

E tot. Restul este o chestiune de tehnică simplă.

Modul de a face

Din tablă se prepară un focar și doi cilindri pentru bază, din care va consta motorul Stirling, realizat manual. Dimensiunile sunt selectate independent, ținând cont de scopurile pentru care este destinat acest dispozitiv. Să presupunem că motorul este realizat în scopuri demonstrative. Apoi, măturarea cilindrului principal va fi de la douăzeci la douăzeci și cinci de centimetri, nu mai mult. Restul pieselor ar trebui să se adapteze la el.

Pe partea superioară a cilindrului sunt făcute două proeminențe și găuri cu un diametru de patru până la cinci milimetri pentru a deplasa pistonul. Elementele vor acționa ca lagăre pentru localizarea ansamblului manivelă.

Apoi, se face fluidul de lucru al motorului (apa obișnuită va deveni el). Cercurile de tablă sunt lipite de cilindru, care este rulat într-o țeavă. În ele se fac găuri și se introduc tuburi de alamă de la douăzeci și cinci până la treizeci și cinci de centimetri în lungime și patru până la cinci milimetri în diametru. La final, ei verifică cât de strânsă a devenit camera prin inundarea cu apă.

Urmează deplasatorul. Pentru fabricație, luați un semifabricat dintr-un copac. Pe mașină, ei încearcă să o facă să ia forma unui cilindru obișnuit. Deplasatorul trebuie să fie puțin mai mic decât diametrul cilindrului. Înălțimea optimă este selectată după ce este fabricat motorul Stirling de tip „do-it-yourself”. Prin urmare, în această etapă, lungimea ar trebui să preia o anumită marjă.

Spița este transformată într-o tijă de cilindru. Se face o gaură în centrul recipientului de lemn, potrivită pentru tulpină, introduceți-o. În partea superioară a tijei, este necesar să se prevadă un loc pentru dispozitivul de biela.

Apoi iau tuburi de cupru lungi de patru centimetri și jumătate și diametru de doi centimetri și jumătate. O cană de tablă este lipită de cilindru. Pe lateralele pereților se face o gaură pentru comunicarea recipientului cu cilindrul.

Pistonul este, de asemenea, montat pe un strung în interiorul cilindrului mare. În partea de sus, tija este conectată într-un mod articulat.

Asamblarea este finalizată și mecanismul este configurat. Pentru a face acest lucru, pistonul este introdus într-un cilindru mai mare și conectat la un alt cilindru mai mic.

Este construit un cilindru mare mecanism manivelă... O parte a motorului este fixată cu un fier de lipit. Părțile principale sunt fixate pe o bază de lemn.

Cilindrul este umplut cu apă și o lumânare este plasată sub fund. Motorul Stirling, realizat manual de la început până la sfârșit, este testat pentru funcționare.

Metoda a doua: materiale

Motorul se poate face si in alt mod. Pentru a face acest lucru, veți avea nevoie de următoarele materiale:

• staniu;
• cauciuc spumă;
• agrafe;
• discuri;
• două șuruburi.

Modul de a face

Cauciucul spongios este foarte des folosit pentru a face acasă un motor Stirling simplu, nu puternic, cu propriile mâini. Din acesta este pregătit un deplasator pentru motor. Tăiați cercul de spumă. Diametrul trebuie să fie puțin mai mic decât cel al unei conserve, iar înălțimea să fie puțin peste jumătate.

Se face o gaură în centrul capacului pentru viitoarea biela. Pentru ca acesta să meargă fără probleme, agrafa este pliată în spirală și lipită de capac.

Cercul de cauciuc spumos din mijloc este străpuns cu un fir subțire cu un șurub și fixat deasupra cu o șaibă. Apoi o bucată de agrafă este conectată prin lipire.

Dislocatorul este împins în orificiul capacului, iar borcanul și capacul sunt lipite împreună pentru a etanșa. Se face o buclă mică pe o agrafă și o altă gaură mai mare în capac.

Foaia de tablă este rulată într-un cilindru și lipită, apoi atașată la borcan, astfel încât să nu rămână deloc goluri.

Agrafa este transformată într-un arbore cotit. Distanța ar trebui să fie exact nouăzeci de grade. Genunchiul de deasupra cilindrului este ușor mai mare decât celălalt.

Restul capselor sunt transformate în suporturi cu arbore. Membrana este realizată după cum urmează: cilindrul este învelit într-o peliculă de polietilenă, presat și fixat cu un fir.

Biela este realizată dintr-o agrafă care este introdusă într-o bucată de cauciuc, iar piesa finită este atașată de membrană. Lungimea bielei este făcută astfel încât membrana să fie trasă în cilindru în punctul brut inferior și întinsă în punctul cel mai înalt. A doua parte a bielei este realizată în același mod.

Apoi, unul este lipit de membrană, iar celălalt de displacer.

Picioarele borcanelor pot fi, de asemenea, realizate din agrafe și lipite. Pentru manivelă se folosește un CD.

Deci întregul mecanism este gata. Rămâne doar să înlocuiți și să aprindeți o lumânare sub ea, apoi să dați o împingere prin volant.

Concluzie

Acesta este motorul Stirling la temperatură joasă (auto-construit). Desigur, la scară industrială, astfel de dispozitive sunt fabricate într-un mod complet diferit. Cu toate acestea, principiul rămâne neschimbat: volumul de aer este încălzit și apoi răcit. Și acest lucru se repetă în mod constant.

În cele din urmă, uită-te la aceste desene ale motorului Stirling (o poți face singur fără abilități speciale). Poate ești deja în flăcări cu ideea și ai vrea să faci ceva asemănător?